基于GPRS的嵌入式無線控制自動檢測系統(tǒng)

習海旭， 張 杰， 時國龍， 李民強

(1.江蘇理工學(xué)院 計算機工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.中國科學(xué)院合肥智能機械研究所 智能傳感器件研究中心，安徽 合肥 230031)

0 引 言

水是重要的環(huán)境要素之一, 也是人體的重要組織成分[1]。然而隨著我國人口數(shù)量的持續(xù)增長，資源消耗、能源需求的迅速增長[2]，水總量的減少引起水污染加劇，水資源的供需矛盾越來越突出[3]。食用水不僅受日常污染，更受有毒有害離子污染，實時監(jiān)測飲用水中重金屬元素的濃度，對人類生產(chǎn)生活具有及其重要的意義[4]。

目前水中離子的檢測多數(shù)使用離線檢測，即取水后異地測試，這種測試方式的缺點是樣品在采集、運輸、檢測等過程中受到的污染較為嚴重，因而影響到了測試結(jié)果的準確性，而且整個測試的周期很長[5]。世界上當前最先進的測試方式是全自動現(xiàn)場實時監(jiān)測待測地水中的元素含量，通過網(wǎng)絡(luò)手段實時反映水中各微量含量的變化。這種方式最大的優(yōu)點在于能夠獲得水中微量元素含量變化的連續(xù)記錄[6]。相比與傳統(tǒng)測試儀器，該儀器操作簡單、成本較低、針對性強、測試精度高，自動化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守和遠程無線控制，使飲用水中有害離子實現(xiàn)實時快速監(jiān)測成[7]。

本文設(shè)計的基于GPRS的嵌入式無線控制系統(tǒng)總體設(shè)計，分為硬件和軟件設(shè)計，主要包括信號采集與處理系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)集成與人機界面軟件，無線通信監(jiān)測模塊等。自動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)水樣和測試試劑的自動精確進樣控制及測試儀器的常用遠程控制功能；信號采集與處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集檢測電路中的信號，轉(zhuǎn)換并進行去噪處理，形成離子溶度數(shù)據(jù)；無線通信監(jiān)測模塊實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制信號，按需通過實地測試儀上安裝的支持串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊和室內(nèi)設(shè)立的監(jiān)測服務(wù)器進行數(shù)據(jù)和信號的交互；系統(tǒng)集成于人機界面將接收到的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程進行統(tǒng)一管理，提供給操作員使用系統(tǒng)的友好界面。該系統(tǒng)具有操作簡單、低成本、針對性強、測試精度高，自動化程度高等優(yōu)點的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守和遠程無線控制現(xiàn)場實時快速監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍比較廣，包括智能研究所、北京的管理部門、水樣檢測示范地及服務(wù)器機房所在地。地區(qū)之間的通信都基于移動網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)。在水樣檢測過程中，水樣的離子溶度測試數(shù)據(jù)首先被保存在現(xiàn)場測試儀器的硬盤中，之后利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程的中心服務(wù)器端，智能所的測試人員能夠在實驗室環(huán)境內(nèi)利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件查看離子溶度數(shù)據(jù)并進一步處理。測試人員也可以根據(jù)實際需要，在指定的時間遠程啟動分析儀，待其測試完畢之后數(shù)據(jù)會自動發(fā)送至服務(wù)器端，所處理的數(shù)據(jù)按照需要可報送至北京有關(guān)管理部門，以便其查看統(tǒng)計。

系統(tǒng)整體工作流程見圖1。系統(tǒng)開始工作時，測試人員通過網(wǎng)址登錄遠程控制與實時監(jiān)測主界面，選擇示范地監(jiān)測點，設(shè)置或選擇相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，確定后主界面指示分析儀的通訊狀況(正常、不正常)，分析儀的數(shù)據(jù)發(fā)送時間，飲用水處理前后的砷、氟濃度等信息。研究人員可以點擊主界面上的開啟按鈕，系統(tǒng)將會檢測GPRS模塊、下位機等網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備連接是否正常，通過Internet網(wǎng)絡(luò)把指令發(fā)送到位于下位機處的GPRS模塊。然后遠程控制處理系統(tǒng)通過串口接收GPRS模塊發(fā)送的指令啟動并且遠程啟動現(xiàn)場測試儀器，原始數(shù)據(jù)也可通過點擊主界面進行下載。

圖1 自動檢測系統(tǒng)工作流程圖

無線控制水樣檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由①信號采集與處理模塊，②自動控制模塊，③系統(tǒng)集成與人機界面模塊，④無線通信監(jiān)測模塊四部分組成。自動控制模塊具有液體自動進樣和遠程控制功能。其中液體自動進樣系統(tǒng)包括水樣采集系統(tǒng)、離子檢測自動進樣系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，通過測量儀器的功能設(shè)定和所需自動進樣試劑的種類，自動抽取大量液體，精確加入微量標準液，接收遠程控制信號，驅(qū)動相關(guān)硬件系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。信號采集與處理模塊包括水樣自動檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計、硬件設(shè)計和離子檢測的軟件設(shè)計及差分脈沖溶出伏安法數(shù)據(jù)處理中的小波分析[8]軟件等，實現(xiàn)水樣中離子的自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號去噪分析，從而快速準確得到水樣中離子的濃度。無線通信監(jiān)測模塊具有信號監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸功能，它采用GPRS技術(shù)[9]，自動監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)，控制中心服務(wù)器端和遠程自動控制、檢測模塊之間的數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。系統(tǒng)集成與人機界面模塊包括數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)在中心服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的信息管理系統(tǒng)，它是用戶與自動控制、檢測系統(tǒng)交互的界面，它包括實時數(shù)據(jù)曲線顯示、日常業(yè)務(wù)管理功能。數(shù)據(jù)庫由示范地地址相關(guān)信息表和離子溶度值表組成，采用可視化曲線顯示離子溶度和變化趨勢，對超出安全標準值的示范地點進行報警并對傳回自動控制、檢測系統(tǒng)的控制信息進行參數(shù)修正。

圖2 自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

無線通信監(jiān)測模塊監(jiān)測到計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過后的數(shù)據(jù)，啟動無線數(shù)據(jù)傳輸功能模塊，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到中心服務(wù)器中，中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)啟動線程，實時接收傳輸過來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行拆分，寫入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫對應(yīng)表中。數(shù)據(jù)傳送原理圖如圖3所示。

圖3 文本數(shù)據(jù)的發(fā)送流程圖

3 數(shù)據(jù)實時曲線顯示的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時曲線的繪制采用IOCOMP控件，它是常用的第三方繪圖控件，具有強大的繪圖功能，能根據(jù)需要實時繪制不同線型、不同寬度、不同顏色的曲線。它主要包含iPlot、iXYPlot和iScope三個方面的繪圖功能，iPlot顯示了該控件繪制圖表的功能。iXYPlot功能是iPlot的擴展功能，它用在當X軸的值不是一直增加或者減少的條件下，當使用它時，需要對一些繪圖特征和速度等進行設(shè)置。iScope是對基于硬件的數(shù)字模擬電路事務(wù)的直接顯示，需要數(shù)據(jù)采集卡傳輸數(shù)據(jù)與之匹配[10]。

控件具有多個子對象接口，如通道、坐標軸等，許多重要的性質(zhì)和方法都影響著控件的功能，它們分布在控件的主界面上。例如，打印機配置、背景和喜好等功能配置都分部在主界面上。通道接口和主界面接口的相似之處是它們具有相同的文件I/O功能接口，主界面的文件接口方法和性質(zhì)屬于圖表中全部外部接口，而外部接口文件接口方法屬于特定的接口。分析儀測試顯示的連續(xù)曲線如圖4所示。

4 無線控制系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

RS232又被稱做EIA-232-E，是一種工業(yè)標準[11]，它的作用是確保各個工廠產(chǎn)品之間兼容性并于1962年發(fā)布。美國電子工業(yè)協(xié)會也規(guī)定了一個通用串行接口規(guī)范EIARS232-C[12]。由于RS232屬于單端信號傳送，所以它的傳輸距離比較短。而且傳送時具有共模噪聲等弊端，所以RS232通常適用20 m內(nèi)的通訊。RS485繼RS232之后產(chǎn)生，它能夠彌補RS232傳送速度低和傳輸距離小等缺陷。RS485具有多點和雙向的通訊能力，發(fā)送器的動力和出錯保護機制也得到了有效的提高。

圖4 分析儀測試顯示的連續(xù)曲線

因為通用串行通訊是上位機和別的硬件裝置之間產(chǎn)生通訊的常用手段，微軟公司的Windows在操作系統(tǒng)下提供了多種實現(xiàn)串口通信的應(yīng)用程序接口函數(shù)[13]。串口在使用前需經(jīng)過初始化，串口的初始化操作完成以后，接下來就可以進行讀操作和寫操作。串口的讀寫函數(shù)聲明如下[14]：

BOOL ReadComm(HANDLE Comm, //串口端口的句柄

LPVOID ComBuffer, // 設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)

WORD， // 指向一DWORD類型的數(shù)值

LPDWORD NumberOfBytesRead, // 重復(fù)操作時，該參數(shù)指向一個OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)，如果是同步操作，該參數(shù)為空。

LPOVERLAPPED Overlapped)；

BOOL WriteComm( HANDLE Comm, //串口端口的句柄

LPCVOID lpBuffer,

WORD NumberOfBytesToWrite, //定義寫入字型數(shù)據(jù)的個數(shù)

LPDWORD NumberOfBytesWritten, // 重復(fù)操作時，該參數(shù)指向一個OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，如果同步操作，該參數(shù)為空。

LPOVERLAPPED lpOverlapped);

MSCOMM是由微軟公司開發(fā)的Windows環(huán)境下串口編程ActiveX控件[15]，有了這個控件，程序員不用消耗過多時間去編寫復(fù)雜的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，使用起來非常便捷。上位機實現(xiàn)對蠕動泵的精確控制，需要建立合理完善的通訊控制協(xié)議。外控接口DB15-2連接的是485-B；DB15-3連接的是485-A。通訊協(xié)議的幀格式為flaghead(幀首) + address + length + pdua + fcsb。其中flaghead以E9H作幀首，傳輸時，幀頭以后的所有內(nèi)容中，若出現(xiàn)E8H，則以E8H、00H代替。若出現(xiàn)E9H，則以E8H、01H代替。接收時將E8H、00H恢復(fù)為E8H，將E8H、01H恢復(fù)為E9H。address為一個字節(jié)的地址，范圍是1～31；length代表pdua的字節(jié)個數(shù)；fcsb為address、 length 、pdua的異或。pdua應(yīng)用層編碼數(shù)據(jù)的部分內(nèi)容如下：

(1) 讀取運行參數(shù)RJ。

應(yīng)答：RJ+速度2byte+滿速、運行狀態(tài)1byte+正反轉(zhuǎn)1byte。

(2) 設(shè)置設(shè)備地址WID+新地址1 byte。

應(yīng)答：WID

(3) 讀取設(shè)備地址：RID。

應(yīng)答：RID，addr只能是泵的地址(1～30)。用于驗證所設(shè)地址的正確性。

在通訊協(xié)議中W、R、J、I、D分別對應(yīng)ASCII碼值57H、52H、4AH、49H、44H；轉(zhuǎn)速高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，最高轉(zhuǎn)速為50.0 r/min，即01F4H；全速、啟停狀態(tài)字節(jié)中的BIT0表示啟停狀態(tài)位，1表示運行，0表示停止；BIT1表示全速狀態(tài)位，1表示全速運行，0代表正常運轉(zhuǎn)；真反轉(zhuǎn)字節(jié)中，BIT0為正反狀態(tài)位，1代表正轉(zhuǎn)，0代表反轉(zhuǎn)；address位自定義為1。例如，設(shè)定蠕動泵(地址02)為正轉(zhuǎn)，速度是25 rpm，指令是：E9 02 06 57 4A 00 FA 01 01 E3。

注射泵可通過RS-232或RS-485兩種接口方式和上位機進行通訊，它支持兩種通訊協(xié)議，一種是OEM協(xié)議，另一種叫DT(終端)協(xié)議。OEM協(xié)議提供了增強的錯誤校驗，即采用了校驗和序號。其中，每幀數(shù)據(jù)以STX為幀頭，ETX為幀尾，校驗和是整個數(shù)據(jù)塊的終止。泵的地址從31H-3FH；序號為定值31H；數(shù)據(jù)塊由命令和參數(shù)構(gòu)成，全部用ASCII表示，低位在后，高位在前，如I1000: 5 byte，表示為49 31 30 30 30。校驗和是數(shù)據(jù)串中最后一個字符，是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX、ETX)。

蠕動泵的常用控制命令解析如下：E9 01 06 57 4A 01 F4 01 01 EF，其中E9H作幀頭，首個01H表示地址，06H代表pdu的長度，57H、4AH分別是W、J的ASCII碼值，01F4H表示全速運行，第二個01中，BIT0位為1表示運行，BIT1為0表示正常運行，第三個01H的BIT0位表示旋轉(zhuǎn)方向為順時針，EF是address、length、pdua的異或。如果需要讓蠕動泵反轉(zhuǎn)，將第三個01H的BIT0位改為0，然后重新計算addr、len、pdu的異或。對蠕動泵做停止操作，將第二個01H的BIT0位改為0，然后重新計算addr、len、pdu的異或。

對注射泵控制，首先要輸入固定命令 02 31 31 5A 52 03 09，02H代表一幀數(shù)據(jù)的開始，31H表示泵的地址，第二個31H是定值，5AH是Z的ASCII碼值表示初始化活塞，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，09H是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX和ETX)。

將注射泵的閥移動到輸入位置并抽取砷標準液然后排出需要執(zhí)行命令：02 31 31 49 41 31 30 30 30 4F 41 30 52 03 64，其中02H代表一幀數(shù)據(jù)的開始，31H表示泵的地址，第二個31H是定值，49H是I的ASCII碼值表示移動閥到輸入口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動活塞到絕對位置，31H、30H、30H、30H分別是字符1、0、0、0的ASCII碼值，4FH是O的ASCII碼值表示移動閥到輸出口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動活塞到絕對位置，30H是字符0的ASCII碼值，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，64H是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX和ETX)。

5 結(jié) 語

實時監(jiān)測飲用水中有害離子的含量在生態(tài)環(huán)境檢測、臨床、食品方面具有極其顯著的意義，對人們的生活健康極其重要?；贕PRS技術(shù)的嵌入式無線控制系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測儀器的遠程啟動以及測試完畢的數(shù)據(jù)的自動發(fā)送，在具有操控簡單、低成本、針對性強、檢測精度高，全自動程度高等優(yōu)點的同時，完全實現(xiàn)無人看守和遠距離無線操控，使飲用水中有害離子的現(xiàn)場實時快速監(jiān)測成為可能。

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